Growth, diet, thermophysiology and mobility of sauropods - Implications from bone isotope geochemistry for paleobiology and gigantism
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Emmy Noether-Gruppe „Knochengeochemie“ hat in verschiedenen Teilprojekten an Dinosaurierskelettresten unterschiedliche Isotopensysteme (C, O, 13C-18O, Ca, Lu-Hf) analysiert. Dabei konnten neue Erkenntnisse zur Ernährung, Thermophysiologie, Biomineralisation und damit zur Paläobiologie der Sauropoden sowie zu Fossilisationsprozessen ihrer Knochen gewonnen werden. Diese werden im Folgenden zusammengefasst. Die Kohlenstoffisotopie fossiler Knochen und Zähne sowie möglicher Futterpflanzen zeigte, dass die Sauropoden terrestrische C3-Pflanzen gefressen haben. Auch küstennahe Populationen scheinen keine marinen Nahrungspflanzen wie Algen oder Tang aufgenommen zu haben. Koniferen und Cycadeen haben im Durchschnitt eine höhere Kohlenstoffisotopie in ihren Blättern als Farne und Schachtelhalme. Dies ermöglicht die Präferenz von Sauropoden für bestimmte Futterpflanzen einzugrenzen. Sauerstoffisotopenanalysen wurden in situ mit hoher räumlich Auflösung an rezenten und fossilen Reptilknochen durchgeführt, um saisonale Zyklen der Sauerstoffisotopie festzustellen. Diese könnten als „Isotopenjahresringe“ zur Bestimmung der Wachstumsraten und des Lebensalters der Dinosaurier genutzt werden. An den jährlichen Wachstumslinien fanden sich oft die niedrigsten Sauerstoffisotopenverhältnisse, was auf eine Relation von Klima und Knochenwachstum hindeutet. Die untersuchten Langknochen der Sauropoden zeigten aber keine klaren Saisonalitätsmuster und die Anzahl der Sauerstoffisotopenzyklen entsprach nicht den abgeschätzten Lebensaltern. Diese konnten daher nicht zur Skeletochronologie genutzt werden. Die Kalziumisotopie in Knochen moderner Säuger, Vögel und Reptilien wurde analysiert und ein artübergreifender trophischer Level Effekt zwischen Fleisch- und Pflanzenfressern festgestellt. Die Ursache ist der Konsum von Knochengewebe, das reich an leichten Kalziumisotopen ist. Wir konnten zeigen, dass die Kalziumisotopie fossiler Knochen durch Fossilisationsprozesse kaum verändert wird. Sie kann daher als Proxy für die Ernährungsweise ausgestorbener Wirbeltiere und deren Position im Nahrungsnetz genutzt werden. Unsere Ca-Isotopendaten belegen, dass T-Rex größere Mengen Knochen aufgenommen hat und ein Apex-Räuber war, während Allosaurus kein Knochengewebe gefressen zu haben scheint. Der im Eozän ausgestorbene bis 2m große, flugunfähige Riesenlaufvogel Gastornis, der aufgrund seines massiven knöchernen Schnabels in jedem Lehrbuch als Fleischfresser und Urpferdchenjäger abgebildete wird, war ein Pflanzenfresser. Seine Knochen haben die gleiche Ca-Isotopie, wie die der Urpferde, welche daher keine Beutetiere waren. Das chemische „clumped isotope“-Thermometer beruht auf der 13C-18O- Bindungshäufigkeit in Karbonat. Es wurde an Zahnschmelzproben heutiger Wirbeltiere mit unterschiedlichen Körpertemperaturen kalibriert, um damit die Körpertemperaturen von Dinosauriern zu bestimmen. Für Mammuts konnten Körpertemperaturen wie für heutige Elefanten gemessen werden. Ähnliche Temperaturwerte von 36-38°C wurden an gut erhaltenen Zahnschmelz- sowie Eischalenproben für große Sauropoden bestimmt. Oviraptor hatte nur eine Körpertemperatur von 32°C, die niedriger lag als die heutiger Vögel aber über der Umgebungstemperatur. Dinosaurier hatten somit unterschiedliche Thermoregulationsstrategien. Das Lutetium(Lu)-Hafnium(Hf)-Isotopensystem sollte als Methode zur direkten radiometrischen Datierung fossiler Knochen entwickelt werden. Konzentrationsprofile von seltenen Erdelementen sowie Lu-Hf-Isotopenanalysen zeigten aber eindeutig, daß die fossilen Knochen sich bezüglich der Elemente Lu und Hf als offene Systeme verhalten. Die radiometrischen Lu-Hf-Alter fossiler Knochen aus unterschiedlicher Ablagerungsmilieus waren daher fast alle jünger als die stratigraphischen Alter. Daher können nur Minimalalter mittels der Lu- Hf Datierung bestimmt werden. Die Aufnahme von seltenen Erdelementen und die Fossilisationsprozesse von Knochen dauern daher über Jahrmillionen an und sind nicht, wie bisher angenommen, innerhalb weniger tausend Jahre abgeschlossen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010): Body temperatures of modern and extinct vertebrates from 13C-18O bond abundances in bioapatite. Proceedings of the National Academy of Sciences 107, 10377-10382
Eagle, R.A., Schauble, E.A., Tripati, A.K., Tütken, T., Hulbert, R.C. & Eiler, J.M.
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(2011): Biology of the sauropod dinosaurs: the evolution of gigantism. Biological Reviews 86, 117-155
Sander, P.M., Christian, A., Clauss, M., Fechner, R., Gee, C., Griebeler, E.-M., Gunga, H.- C., Hummel, J., Mallison, H., Perry, S., Preuschoft, H., Rauhut, O., Remes, K., Tütken, T., Wings, O. & Witzel, U.
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(2011): Calcium isotopes of fossil bones and teeth — diagenetic versus biogenic origin. Geochimica et Cosmochimica 75, 3419–3433
Heuser, A., Tütken, T., Gussone, N. & Galer, S.J.G.
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(2011): Nd and Sr isotope compositions in modern and fossil bones – proxies for vertebrate provenance and taphonomy. Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 5951-5970
Tütken, T., Vennemann, T.W. & Pfretzschner, H.-U.
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(2011): The diet of sauropod dinosaurs – Implications from carbon isotope analysis of teeth, bones, and plants. In: Klein, N., Remes, K., Gee C. T. and Sander, P. M. (eds.): Biology of the Sauropod Dinosaurs: Understanding the life of giants. Indiana University Press, Bloomington, pp 57-79
Tütken, T.
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(2011): Timescales and mechanisms of REE and Hf uptake in fossil bones. Geochimica et Cosmochimica Acta 75, 82-105
Herwartz, D., Tütken, T., Münker, C., Jochum, K.-P., Stoll, B. & Sander, P.M.
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2011. Direct measurement of dinosaur body temperatures from the analysis of isotopic (13C-18O) ordering in fossil biominerals. Science 333, 443-445
Eagle, R.A., Tütken, T., Martin, T.S., Tripati, A.K., Fricke, H.C., Connely, M., Cifelli, R.L., Eiler, J.M.
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(2013): Lu-Hf systematics of fossil biogenic apatite and their effects on geochronology. Geochimica et Cosmochimica Acta 101, 328-343
Herwartz, D., Münker, C., Tütken, T., Hoffmann, J.E., Wittke, A. & Barbier, B.
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(2013): REE systematics of fossil bone revealed by LA-ICPMS. Geochimica et Cosmochimica Acta 103, 161-183
Herwartz, D., Tütken, T., Jochum, K.-P. & Sander, P.M.
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Isotopic ordering in eggshells reflects body temperatures and suggests differing thermophysiology in two Cretaceous dinosaurs. Nature Communications 6, Article number: 8296 (2015)
Eagle, R.A., Enriquez, M., Grellet-Tinner, G., Hu, D., Pérez-Huerta, A., Tütken, T., Montanari, S., Loyd, S.J., Ramirez, P., Tripati, A. K., Kohn, M.J., Cerling, THE, Chiappe, L.M. & Eiler, J.M.
